Hydraulisia toimilaitteita käytetään monissa liikkuvissa työkoneissa, kuten kaivinkoneissa, pyöräkuormaajissa ja metsäkoneissa, koska suuria voimia ja tehoja voidaan hydrauliikan keinoin reitittää verrattain pienikokoisilla komponenteilla. Perinteiset ratkaisut hydrauliikassa johtavat kuitenkin usein myös suuriin energiahäviöihin. Häviöt puolestaan nostavat tarpeettomasti koneiden polttoaineenkulutusta ja kasvattavat päästöjä. Uusista tekniikoista digitaalihydrauliikka on osoittautunut lupaavaksi vaihtoehdoksi energiatehokkaampien koneiden suunnittelussa.

– Digitaalihydrauliikan perusajatuksena on yhdistää rinnan useampia kaksiarvoisia komponentteja, joiden vapaa ohjelmoitavuus mahdollistaa entistä monipuolisemmat ominaisuudet hydraulijärjestelmälle, aiheesta 17.6 Tampereen teknillisessä yliopistossa väitellyt Mikko Heikkilä kertoo.

– Perinteisissä aksiaalimäntäpumpuissa tilavuusvirtaa säädetään mäntien iskupituutta muuttamalla, jolloin ongelmana on huono hyötysuhde. Digitaalisessa pumpussa sen sijaan käytetään vain tarvittavaa määrää mäntiä aktiivisesti muiden ollessa tyhjäkäynnillä. Digitaalisella venttiilien ohjauksella on siten mahdollista saavuttaa parempi hyötysuhde koko pumpun käyttöalueella.

Samaan tekniikkaan perustuu myös useaa painelähtöä ohjaava digitaalihydraulinen tehonhallintajärjestelmä, joka toimii pumpun lisäksi myös moottorina ja hydraulis-mekaanisena muuntimena.

– Monipuolisuutensa vuoksi tehonhallintajärjestelmä soveltuu usean toimilaitteen syöttöpaineen säätöön tai toimilaitteiden suoraan ohjaamiseen. Lisäksi järjestelmän hybridisointi onnistuu kytkemällä paineakku yhteen tehonhallintajärjestelmän lähdöistä, Heikkilä sanoo.

Heikkilän tutkimuksen mukaan energiatehokas hybridijärjestelmä voidaan toteuttaa digitaalihydraulisella tehonhallintajärjestelmällä. Toimilaitteen suora pumppuohjaus minimoi hydraulisen tehonsiirron häviöt ja mahdollistaa energian talteenoton järjestelmään liitettyyn paineakkuun kuormaa laskettaessa. Paineakkua on mahdollista käyttää myös teholähteenä. Akun energialla voidaan kattaa toimilaitteen vaatima maksimiteho, jolloin akselia pyörittävän moottorin tehontarve pienenee. Tutkimuksessa käytetyn järjestelmän kokonaishäviöt olivat noin 50 prosenttia pienemmät kuin järjestelmän, jossa toimilaitetta ohjattiin proportionaalisuuntaventtiilillä.

– Digitaalihydraulisen hybridin potentiaalinen energiansäästö on kuitenkin tätäkin suurempi, mutta häviöiden minimoiminen vaatii tehonhallintajärjestelmän rakenteellista optimointia.

Väitöskirjaan voi tutustua verkossa osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-15-3763-9